เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (อังกฤษ: Nuclear Reactor) เป็นอุปกรณ์ที่ก่อกำเนิดและควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ลูกโซ่ (อังกฤษ: Nuclear chain reaction) อย่างยั่งยืน มันถูกนำมาใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้าและในการขับเคลื่อนเรือ ความร้อนจากนิวเคลียร์ฟิชชั่นถูกส่งไปให้กับของเหลว (น้ำหรือก๊าซ) ให้เป็นตัวทำงาน (อังกฤษ: working fluid) ของเหลวความร้อนสูงจะไหลไปหมุนกังหันเพื่อหมุนใบพัดเรือหรือหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไอน้ำที่สร้างโดยนิวเคลียร์ในหลักการสามารถนำมาใช้เพื่อให้ความร้อนในกระบวนการอุตสาหกรรม หรือสำหรับให้ความร้อนชุมชน (อังกฤษ: district heating) เครื่องปฏิกรณ์บางเครื่องใช้ในการผลิตไอโซโทปสำหรับการใช้งานทางการแพทย์และอุตสาหกรรม หรือผลิตพลูโตเนียมสำหรับทำอาวุธ บางเครื่องก็ใช้สำหรับงานวิจัยเท่านั้น ทุกวันนี้มีประมาณ 450 เครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์ที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าในประมาณ 30 ประเทศทั่วโลก

แกนของ CROCUS, เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดเล็กที่ใช้สำหรับการวิจัยที่ EPFL ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์

บทความนี้เป็นบทความย่อยของพลังงานนิวเคลียร์

กลไก

บทความหลัก: กายภาพของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

 

ภาพแสดงเหตุการณ์ที่นิวเคลียร์ฟิชชั่นเกิดขึ้น โดย นิวตรอน จะถูกดูดกลืนโดยนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม-235 ส่งผลให้มันแยกออกเป็นองค์ประกอบเคลื่อนที่เร็วที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน (อังกฤษ: Fission product)) พร้อมกับนิวตรอนอิสระ แม้ว่าทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์จะพึ่งพาห่วงโซ่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็ตาม แต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์จะเกิดขึ้นช้ากว่าในระเบิดมาก

 

เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าธรรมดาที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อน ที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะแปลงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียร์ฟิชชั่น

ฟิชชัน

บทความหลัก: นิวเคลียร์ฟิชชัน

เมื่อนิวเคลียสของอะตอมขนาดใหญ่ที่มีคุณสมบัติฟิชชั่น เช่นยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม-239 ดูดซับนิวตรอน มันอาจทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นขึ้น นิวเคลียสหนักจะแยกออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่า (ผลผลิตจากฟิชชัน) สองตัวหรือมากกว่า พร้อมกับปล่อยพลังงานจลน์ รังสีแกมมา และนิวตรอนอิสระออกมามากมาย ส่วนหนึ่งของนิวตรอนเหล่านี้ต่อมาอาจถูกดูดซึมโดยอะตอมที่มีคุณสมบติฟิชชั่นอื่น ๆ และก่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อไปซึ่งจะปล่อยนิวตรอนมากขึ้น และทำซ้ำ ๆ ไปเรื่อย ๆ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ (อังกฤษ: nuclear chain reaction)

เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ สารดูดกลืนนิวตรอน (อังกฤษ: neutron poison หรือ neutron absorber) และ ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron moderator) สามารถลดปริมาณบางส่วนของนิวตรอนที่จะไปทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ลดลง เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไปมักจะมีระบบอัตโนมัติและคู่มือที่จะปิดปฏิกิริยาฟิชชันลง หากระบบการตรวจสอบตรวจพบสภาวะที่ไม่ปลอดภัย

ตัวหน่วงปฏิกิริยาที่ใช้กันโดยทั่วไปประกอบด้วยน้ำธรรมดา (น้ำเบา) (เป็น 74.8% ของเครื่องปฏิกรณ์ของโลก), แท่งแกรไฟท์ (20% ของเครื่องปฏิกรณ์) และน้ำหนัก (อังกฤษ: heavy water) (5% ของเครื่องปฏิกรณ์) บางชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการทดลองจะใช้เบริลเลียม แต่ไฮโดรคาร์บอนก็ได้รับการแนะนำว่าเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง

การสร้างความร้อน

แกนเครื่องปฏิกรณ์สร้างความร้อนได้หลายวิธี:

• พลังงานจลน์ของผลผลิตจากฟิชชันจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน เมื่อนิวเคลียสเหล่านี้ชนกับอะตอมในบริเวณใกล้เคียง
• เครื่องปฏิกรณ์ดูดซ​​ับบางส่วนของรังสีแกมมาที่ผลิตขึ้นระหว่างฟิชชั่นและแปลงพลังงานของพวกมันเป็นความร้อน
• ความร้อนจะถูกผลิตโดย การสลายกัมมันตรังสี ของผลผลิตจากฟิชชันและโดยวัสดุที่ถูกกระตุ้นให้ทำงานโดยการดูดซึมนิวตรอน. การสลายตัวของแหล่งความร้อนนี้จะยังคงดำเนินต่อไปสักระยะ แม้ว่าจะเป็นช่วงหลังจากที่เครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง

หนึ่งกิโลกรัมของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่แปลงผ่านกระบวนการนิวเคลียร์จะปล่อยพลังงานประมาณสามล้านเท่า มากกว่าหนึ่งกิโลกรัมของถ่านหินที่ถูกเผาแบบดั้งเดิม (7.2 × 10¹³ จูลต่อกิโลกรัมของยูเรเนียม-235 เมื่อเทียบกับ 2.4 × 10⁷ จูลต่อกิโลกรัมของถ่านหิน)

การระบายความร้อน

ตัวหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ - ปกติใช้น้ำ แต่บางครั้งใช้ก๊าซหรือโลหะเหลว (เช่นโซเดียมเหลว) หรือเกลือหลอมละลาย - ถูกหมุนเวียนผ่านแกนเครื่องปฏิกรณ์เพื่อดูดซับความร้อนที่จะสร้างออกมา. ความร้อนจะถูกถ่ายเทออกไปจากเครื่องปฏิกรณ์และถูกนำมาใช้ในการสร้างไอน้ำ. ระบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ระบบทำความเย็นที่แยกทางกายภาพ ออกจากน้ำที่จะถูกต้มให้เดือดเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงสำหรับกังหันเช่น เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (อังกฤษ: pressurized water reactor (PWR))" แต่ในบางเครื่องปฏิกรณ์, น้ำสำหรับกังหันไอน้ำถูกต้มโดยตรงจากแกนเครื่องปฏิกรณ์, ตัวอย่างเช่นเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (อังกฤษ: boiling water reactor (BWR))

การควบคุมการเกิดปฏิกิริยา

บทความหลัก: การควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์, ความปลอดภัยนิวเคลียร์แบบไม่ตอบโต้, นิวตรอนที่ล่าช้า, หลุมไอโอดีน, SCRAM, และ ความร้อนจากการสลายกัมมันตรังสี (อังกฤษ: Decay heat)

พลังงานที่ส่งออกมาของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกปรับโดยการควบคุมจำนวนนิวตรอนที่สามารถสร้าง fissions เพิ่มเติม

แท่งควบคุม (อังกฤษ: control rod) จะทำจากสารดูดซับนิวตรอน หรือที่เรียกว่า neutron poison จะถูกใช้ในการดูดซับนิวตรอน ถ้ามีการดูดซับนิวตรอนมากขึ้นในแกนควบคุมหมายความว่ามีนิวตรอนน้อยลงที่พร้อมจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ดังนั้น การดันแท่งควบคุมลึกเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์จะลดปฏิกิริยาฟิชชั่น การส่งออกพลังงานก็จะลดลงด้วย นั่นก็คือการดึงแท่งควบคุมขึ้นจะเพิ่มการส่งออกให้มากขึ้น

ในระดับแรกของการควบคุมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกเครื่อง, กระบวนการของการปล่อยนิวตรอนที่ล่าช้าจากจำนวนของไอโซโทปฟิชชันที่อุดมด้วยนิวตรอน เป็นกระบวนการทางกายภาพที่สำคัญ นิวตรอนที่ล่าช้าเหล่านี้มีอยู่ประมาณ 0.65% ของนิวตรอนทั้งหมดที่ผลิตในปฏิกิริยาฟิชชั่น, กับส่วนที่เหลืออยู่ (ที่เรียกว่า "prompt neutron") ที่ถูกปล่อยออกทันทีเมื่อเกิดฟิชชัน ผลผลิตจากฟิชชั่นที่ผลิตนิวตรอนล่าช้ามีครึ่งชีวิตในการสลายตัวของพวกมัน โดยการปล่อยนิวตรอนที่หลากหลายจากมิลลิวินาทีจนถึงเวลาหลายนาที. การรักษาเครื่องปฏิกรณ์ให้อยู่ในโซนของห่วงโซ่ปฏิกิริยาที่นิวตรอนล่าช้า เป็นสิ่ง'จำเป็น'เพื่อให้บรรลุสภาวะมวลวิกฤต, เปิดช่วงเวลาให้อุปกรณ์เครื่องกลหรือมนุษย์ผู้ประกอบการที่จะมีเวลาในการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ใน "เวลาจริง"; มิฉะนั้นเวลาระหว่างความสำเร็จของวิกฤตและนิวเคลียร์หลอมละลายเป็นผลมาจากไฟกระชากแบบเอ็กโปเนนเชียลจา​​กปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ปกติ, จะสั้นเกินไปที่จะยอมให้มีการแทรกแซง.

ในเครื่องปฏิกรณ์บางเครื่อง, ตัวหล่อเย็นยังทำหน้าที่เป็น neutron moderator อีกด้วย. neutron moderator จะเพิ่มพลังของเครื่องปฏิกรณ์โดยทำให้นิวตรอนเร็วที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชั่น สูญเสียพลังงานและกลายเป็นนิวตรอนร้อน นิวตรอนร้อนมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้รวดเร็วกว่านิวตรอนเร็ว ถ้าตัวหล่อเย็นเป็น moderator, ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะมีผลต่อความหนาแน่นของตัวหล่อเย็น/moderator และเพราะฉะนั้นจึงเปลี่ยนพลังงานเอาต์พุต ตัวหล่อเย็นที่อุณหภูมิสูงจะมีความหนาแน่นน้อย ดังนั้นจึงเป็น moderator ที่มีประสิทธิภาพน้อย

ในเครื่องปฏิกรณ์อื่นๆ ตัวหล่อเย็นทำหน้าที่เป็น poison โดยการดูดซับนิวตรอนในลักษณะเดียวกับที่แท่งควบคุมทำ. ในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ พลังงานส่งออกจะสามารถเพิ่มขึ้นโดยการให้ความร้อนตัวหล่อเย็น, ซึ่งทำให้มันมีความหนาแน่นของ poison น้อย. [อ้างจำเป็น] เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มักจะมีระบบอัตโนมัติและระบบใช้มือในการ scram เครื่องปฏิกรณ์ในกรณีปิดตัวลงฉุกเฉิน ระบบเหล่านี้จะใส่ poison จำนวนมาก (มักจะเป็นโบรอนในรูปแบบของกรดบอริก) ลงในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อปิดปฏิกิริยาฟิชชันลงถ้าเงื่อนไขที่ไม่ปลอดภัยมีการตรวจพบ หรือที่คาดว่าจะไม่ปลอดภัย

ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่มีความไวต่อกระบวนการที่เรียกว่า xenon poisoning, หรือหลุมไอโอดีน. Xenon-135 ที่ถูกผลิตขึ้นในขั้นตอนฟิชชั่นจะทำหน้าที่เป็น "neutron poison" ที่ดูดซับนิวตรอนและดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะปิดเครื่องปฏิกรณ์ลง. การสะสมของ Xenon-135 สามารถควบคุมได้โดยการรักษาระดับพลังงานให้สูงพอที่จะทำลายมันให้เร็วที่สุดเท่าที่มันถูกผลิตออกมา. ฟิชชั่นยังผลิตไอโอดีน-135 อีกด้วย ซึ่งส่งผลให้สลายตัว(ทีมีครึ่งชีวิตต่ำกว่าเจ็ดชั่วโมง) เป็นซีนอน-135 ใหม่. เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลง, ไอโอดีน-135 ยังคงสลายตัวไปเป็นซีนอน-135, ทำให้การรีสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์ยากมากขึ้นเป็นหนึ่งหรือสองวัน. สถานะชั่วคราวนี้คือ "หลุมไอโอดีน". ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ที่มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาส่วนเกินมากเพียงพอ, มันก็สามารถเริ่มต้นใหม่ได้. เมื่อซีนอน-135 ส่วนเกินจะถูกแปรไปเป็นซีนอน-136 ซึ่งไม่ใช่ neutron poison, ภายในไม่กี่ชั่วโมงเครื่องปฏิกรณ์จะประสบกับ "xenon burn-off (power) transient". แท่งควบคุมจะต้องถูกกดให้ลึกมากขึ้นเพื่อแทนที่การดูดซึมของนิวตรอนจากซีนอน-135 ที่หายไป. ความล้มเหลวในการทำตามขั้นตอนดังกล่าวอย่างถูกต้องเป็นขั้นตอนสำคัญในการเกิดภัยพิบัติเชอร์โนบิล

เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ใน'การขับเคลื่อนนิวเคลียร์ทางทะเล' (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรือดำน้ำนิวเคลียร์) มักจะไม่สามารถทำงานที่กำลังไฟต่อเนื่องตลอดเวลา ในลักษณะเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์พลังงานบนบกที่ทำงานได้ตามปกติ และนอกจากนี้มักจะต้องมีอายุของแกนที่ยาวมากโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง. ด้วยเหตุผลนี้ การออกแบบจำนวนมากจะใช้ยูเรเนียมสมรรถนะสูง แต่รวม neutron poison ที่ใหม้ไฟได้ลงในแท่งเ​​ชื้อเพลิงโดยตรง. วิธีการนี้จะช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์สามารถถูกสร้างด้วยส่วนเกินของวัสดุที่ฟิชชั่นได้, ซึ่งอย่างไรก็ดี ถูกทำให้ค่อนข้างปลอดภัยมากขึ้นในช่วงต้นของวงจรการเผาเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ ด้วยการปรากฏตัวของวัสดุที่ดูดกลืนนิวตรอน, ที่หลังจากนั้นมีการแทนที่ด้วย neutron poison อายุยาวที่ผลิตขึ้นตามธรรมชาติ (อายุยาวนานกว่าซีนอน-135 มาก) ซึ่งค่อยๆสะสมตลอดช่วงอายุการใช้งานโหลดเชื้อเพลิง

การผลิตพลังงานไฟฟ้า

พลังงานที่ปล่อยออกมาในขั้นตอนฟิชชั่นจะสร้างความร้อน, บางส่วนสามารถแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้. วิธีการธรรมดาในการใช้ประโยชน์พลังงานความร้อนนี้ก็คือ จะใช้ในการต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำแรงดันสูงซึ่งจะนำไปผลักดันกังหันไอน้ำที่จะหมุนตัว alternator และผลิตกระแสไฟฟ้า

เครื่องปฏิกรณ์ในช่วงต้น

ข้อมูลเพิ่มเติม: นิวเคลียร์ฟิชชั่น-ประวัติ

นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932. แนวคิดของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ถูกสร้างขึ้นโดยนิวตรอนเป็นสื่อกลาง, ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ฮังการี Leó Szilárd, ในปี 1933 เขายื่นจดสิทธิบัตรสำหรับความคิดของเขาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ง่ายในปีต่อมา ขณะที่เขาทำงานที่กระทรวงทหารเรือในกรุงลอนดอน. อย่างไรก็ตามความคิด Szilárd ไม่ได้รวมความคิดของนิวเคลียร์ฟิชชั่นว่าเป็นแหล่งของนิวตรอน, เนื่องจากกระบวนการนั้นยังไม่ได้ถูกค้นพบ ความคิดของ Szilárd สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยการใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ที่กำเนิดจากนิวตรอนเป็นสื่อกลางในองค์ประกอบเบาได้พิสูจน์แล้วว่าทำงานไม่ได้

 

Lise Meitner และ Otto Hahn ในห้องปฏิบัติการของพวกเขา

แรงบันดาลใจสำหรับรูปแบบใหม่ของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ยูเรเนียมมาจากการค้นพบของลีซ ไมต์เนอ, ฟริตซ์ Strassmann และอ็อตโต ฮาห์นในปี 1938 ที่การระดมโจมตีของยูเรเนียมด้วยนิวตรอน (ที่จัดการโดยปฏิกิริยาอัลฟาในเบริลเลียมฟิวชั่น "ปืนครกนิวตรอน") ที่ผลิตสารตกค้างแบเรียม, ซึ่งพวกเขาให้เหตุผลที่ถูกสร้างขึ้นโดยการทำฟิชชั่นของนิวเคลียสของยูเรเนียม. การศึกษาต่อในช่วงต้นปี 1939 (หนึ่งของการศึกษานี้ทำโดย Szilárd และ Fermi) เปิดเผยว่าหลายนิวตรอนได้รับการปล่อยตัวในระหว่างการทำฟิชชั่น, ทำให้มีโอกาสในการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ Szilárd ได้จินตนาการไว้หกปีก่อนหน้านี้

เมื่อวันที่ 2 สิงหาคม 1939 Albert Einstein ลงนามในจดหมายถึงประธานาธิบดีโรสเวลต์ (เขียนโดย Szilárd) แนะนำว่าการค้นพบของการฟิชชั่นของยูเรเนียมอาจนำไปสู่​​การพัฒนาของ "ระเบิดที่มีประสิทธิภาพสูงมากของรูปแบบใหม่", เพื่อเป็นแรงผลักดันให้ทำการศึกษาเครื่องปฏิกรณ์และฟิชชั่น. Szilárd และ Einstein รู้กันดีและได้ทำงานร่วมกันหลายปีก่อน, แต่ Einstein ไม่เคยคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานนิวเคลียร์นี้จนกระทั่งซิลาร์ดรายงานมันกับเขา, ที่จุดเริ่มต้นของการแสวงหาของเขาในการเขียน'จดหมาย Einstein-Szilárd' เพื่อแจ้งเตือนรัฐบาลสหรัฐ

ไม่นานหลังจากเยอรมนีของฮิตเลอร์บุกโปแลนด์ในปี 1939, เริ่มต้นสงครามโลกครั้งที่สองในยุโรป. สหรัฐอเมริกาก็ยังไม่อยู่ในภาวะสงครามอย่างเป็นทางการ, แต่ในเดือนตุลาคม, เมื่อจดหมาย Einstein-Szilárd ถูกส่งไปยังโรสเวล, เขาให้ความเห็นว่าวัตถุประสงค์ของการทำวิจัยคือเพื่อให้แน่ใจว่า "พวกนาซีจะไม่ระเบิดเราทิ้ง". โครงการนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกาก็ตามมา, แม้ว่าจะมีความล่าช้าบางอย่างที่ยังถูกมองในแง่ร้าย (บางส่วนจาก Fermi) และยังมีการดำเนินการเพียงเล็กน้อยจากเจ้าหน้าที่ในรัฐบาลบางคน ที่ถูกกล่าวหาในตอนแรกว่ามีการเลื่อนโครงการไปข้างหน้า

ปีต่อมา รัฐบาลสหรัฐได้รับบันทึก Frisch-Peierls จากสหราชอาณาจักรที่ระบุว่าปริมาณของยูเรเนียม ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่จะต่ำกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้มาก บันทึกถูกเขียนขึ้นโดย 'คณะกรรมการ MAUD' ซึ่งกำลังทำงานในโครงการระเบิดปรมาณูของสหราชอาณาจักรที่เรียกว่า Tube Alloys หลังจากนั้นจะถูกควบรวมอยู่ภายใน 'โครงการแมนฮัตตัน'

 

ทีมงาน'เสาเข็มชิคาโก'ประกอบด้วยเอนรีโก Fermi และลีโอ Szilárd

ในที่สุดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เทียมเครื่องแรก, Chicago Pile-1, ถูกสร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยชิคาโก, โดยทีมงานที่นำโดยเอนรีโก Fermi ในปลายปี 1942. ในเวลานั้น โครงการได้รับการกดดันเป็นปีโดยการเข้าร่วมในสงครามของสหรัฐ. โครงการเสาเข็มชิคาโกประสบความสำเร็จขั้น'มวลวิกฤต'ในวันที่ 2 ธันวาคม 1942 เวลา 15:25 น. โครงสร้างที่รองรับเครื่องปฏิกรณ์ทำจากไม้, ซึ่งรองรับเสาเข็ม (จึงเป็นที่มาของชื่อ)ทำด้วยบล็อกแกรไฟท์, ที่ภายในถูกฝังด้วยยูเรเนียมออกไซด์ธรรมชาติรูป 'pseudospheres' หรือ 'ลูกกลม'

ไม่นานหลังจากโครงการเสาเข็มชิคาโก, กองทัพสหรัฐได้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จำนวนมากสำหรับ'โครงการแมนฮัตตัน'ที่จะเริ่มในปี 1943 วัตถุประสงค์หลักสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ที่สุด (ติดตั้งที่ Hanford ในรัฐวอชิงตัน) ก็คือเพื่อผลิตพลูโตเนียมจำนวนมากๆสำหรับอาวุธนิวเคลียร์ Fermi และ Szilard ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ในวันที่ 19 ธันวาคม 1944 การอนุมัติถูกเลื่อนออกไปเป็นเวลา 10 ปีเพราะเป็นความลับของสงคราม

"โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์แห่งแรกของโลก" ถูกอ้างสิทธ์โดยสัญญลักษณ์ที่สถานที่ติดตั้งของ EBR-I, ซึ่งปัจจุบันเป็นพิพิธภัณฑ์ใกล้ Arco, รัฐไอดาโฮ. แต่เดิมเรียกว่า "Chicago Pile-5", มันดำเนินการภายใต้การดูแลของวอลเตอร์ ซินน์ สำหรับ'ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน'. การทดลองกับเครื่องปฏิกรณ์แบบ LMFBR (liquid metal fast breeder reactor)นี้ดำเนินการโดย'คณะกรรมการพลังงานปรมาณูสหรัฐอเมริกา'ที่ผลิต 0.8 กิโลวัตต์ในการทดสอบครั้งหนึ่งเมื่อวันที่ 20 ธันวาคม 1951 และ 100 กิโลวัตต์ (ไฟฟ้า) ในวันรุ่งขึ้น, ด้วยการออกแบบที่มีกำลังการส่งออกที่ 200 กิโลวัตต์ (ไฟฟ้า)

นอกเหนือจากการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในทางทหาร, ยังมีเหตุผลทางการเมืองที่จะติดตามการใช้งานพลังงานปรมาณูด้านพลเรือน. ประธานาธิบดีสหรัฐ ดไวต์ ไอเซนฮาว ได้กล่าวสุนทรพจน์เกี่ยวกับ 'พลังงานปรมาณูเพื่อสันติ' ที่มีชื่อเสียงของเขาที่ 'สมัชชาใหญ่องค์การสหประชาชาติ' เมื่อวันที่ 8 ธันวาคม 1953 ศิลปะทางการทูตแบบนี้นำไปสู่​​การแพร่กระจายของเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ให้กับสถาบันต่างๆของสหรัฐอเมริกาและทั่วโลก

โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์แห่งแรกที่สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางพลเรือนคือโรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์ AM-1 Obninsk, เปิดตัววันที่ 27 มิถุนายน 1954 ในสหภาพโซเวียต. มันผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 5 เมกะวัตต์

หลังสงครามโลกครั้งที่สอง, ทหารสหรัฐขอใช้เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในกิการอื่น ๆ การวิจัยโดยกองทัพบกและกองทัพอากาศไม่เคยบรรลุผล แต่กองทัพเรือสหรัฐประสบความสำเร็จเมื่อพวกเขาจ่ายพลังงานไอน้ำให้กับเรือ ยูเอสเอส Nautilus (SSN-571) ด้วยพลังงานนิวเคลียร์ในวันที่ 17 มกราคม 1955

สถานีไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์สถานีแรกคือ Calder Hall ใน Sellafield, อังกฤษถูกเปิดในปี 1956 มีกำลังการผลิตเริ่มต้นจาก 50 เมกะวัตต์ (200 MW ในภายหลัง)

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบพกพาเครื่องแรกคือ "Alco PM-2A" ใช้ในการสร้างพลังงานไฟฟ้า (2 เมกะวัตต์) ใน Camp Century ในปี 1960

ส่วนประกอบ

 

ห้องควบคุมของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ Pulstar ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐ North Carolina

ส่วนประกอบที่สำคัญที่มีเหมือนกันหมดของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่คือ:

• เชื้อเพลิงนิวเคลียร์
• แกนปฏิกรณ์นิวเคลียร์
• ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron moderator)
• ตัวดูดซับนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron poison หรือ Neutron Absorber)
• Neutron howitzer (เป็นแหล่งจ่ายนิวตรอนที่แน่นอนเพื่อเรื่มต้นปฏิกิริยาใหม่หลังจากการ shutdown)
• ตัวหล่อเย็น (บ่อยครั้งที่ Neutron Moderator และตัวหล่อเย็นจะเป็นตัวเดียวกัน, ปกติทั้งสองตัวเป็นน้ำบริสุทธ์)
• แท่งควบคุม ถ้าสอดเข้าไปจนสุดจะดูดซับนิวตรอนจนหมด
• อ่างปฏิกรณ์
• ปั้มป้อนน้ำหม้อต้ม
• ตัวผลิตไอน้ำ (ไม่มีใน BWRs)
• กังหันไอน้ำ
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
• ตัวควบแน่น(เครื่องที่เปลี่ยนก๊าซหรือไอน้ำให้เป็นของเหลว)
• หอเย็น (ไม่จำเป็นเสมอ)
• Radwaste System (ส่วนหนึ่งของโรงงานเพื่อจัดการกับกากรังสี)
• ชั้นเติมเชื้อเพลิง (อังกฤษ: Refueling floor)
• บ่อรวบรวม เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว (อังกฤษ: spent nuclear fuel (SNF))
• ระบบรักษาความปลอดภัยนิวเคลียร์
• ระบบป้องกันปฏิกรณ์ (อังกฤษ: Reactor Protective System (RPS))
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าฉุกเฉินเครื่องดีเซล
• ระบบหล่อเย็นแกนฉุกเฉิน (อังกฤษ: Emergency Core Cooling Systems (ECCS))
• ระบบควบคุมของเหลวสำรอง (การฉีดโบรอนฉุกเฉิน, เฉพาะใน BWRs เท่านั้น)
• ระบบน้ำบริการหลัก (อังกฤษ: Essential service water system (ESWS))
• อาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (อังกฤษ: Containment building) อาคารหรือสิ่งก่อสร้างชั้นนอกที่ออกแบบให้มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ เพื่อป้องกันเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จากอุบัติภัยภายนอก และเพื่อไม่ให้สารกัมมันตรังสีแพร่กระจายออกสู่สิ่งแวดล้อม กรณีเกิดอุบัติเหตุภายในอาคารหรือสิ่งกักกั้นชำรุดหรือเสียหาย
• ห้องควบคุม
• สิ่งอำนวยความสะดวกการดำเนินงานฉุกเฉิน
• สิ่งอำนวยความสะดวกการฝึกอบรมนิวเคลียร์ (ปกติจะมีเครื่องจำลองห้องควบคุมอยู่ภายใน)

ประเภทของเครื่องปฏิกรณ์

 

เครื่องปฏิกรณ์ Pulstar ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ทแคโรไลนาเป็นเครื่องปฏิกรณ์วิจัยขนาด 1 เมกะวัตต์ประเภท pool-type ที่ใช้เชื้อเพลิงสมรรถนะ 4% แบบ pin-type ที่ประกอบด้วยเม็ด UO₂ ในตัวหุ้ม zircaloy

การจำแนกประเภท

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกจำแนกประเภทด้วยวิธีการหลายอย่าง. เค้าร่างสั้นๆของวิธีการจำแนกเหล่านี้ได้แก่:

การจัดหมวดหมู่ตามประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์

• นิวเคลียร์ฟิชชั่น. เครื่องปฏิกรณ์พลังงานเชิงพาณิชย์ทั้งหมดจะใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่น โดยทั่วไปจะใช้ยูเรเนียมและผลิตผลของมันซึ่งได้แก่พลูโตเนียมเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์, แม้ว่าวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียมก็สามารถนำมาใช้ได้ เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชั่นสามารถแบ่งออกหยาบ ๆ เป็นสองระดับชั้น, ขึ้นอยู่กับพลังงานของนิวตรอนที่รักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชั่น:
  • 'เครื่องปฏิกรณ์ความร้อน' (เป็นชนิดที่พบมากที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์) ใช้นิวตรอนที่วิ่งช้าหรือนิวตรอนความร้อนเพื่อรักษาสภาวะการฟิชชั่นของเชื้อเพลิงของพวกมัน เครื่องปฏิกรณ์เกือบทั้งหมดในปัจจุบันเป็นประเภทนี้ เครื่องเหล่านี้จะติดตั้งวัสดุที่เป็นตัวหน่วงนิวตรอน (อังกฤษ: neutron moderator) ที่จะทำให้นิวตรอนช้าลงจนกระทั่ง'อุณหภูมินิวตรอน'ของพวกมันจะ thermalized, นั่นคือ, จนกระทั่งพลังงานจลน์ของพวกมันเคลื่อนเข้าสู่พลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคโดยรอบ นิวตรอนร้อนมีหน้าตัดนิวเคลียร์ (ความน่าจะเป็น)ที่ใหญ่กว่ามากๆ ของการเกิดฟิชชั่นบนนิวเคลียสที่มีคุณสมบัติทำฟิชชั่นได้ เช่นยูเรเนียม-235, พลูโตเนียม-239, และพลูโตเนียม-241, และความน่าจะเป็นที่ค่อนข้างต่ำกว่าของ'การจับนิวตรอน'โดยยูเรเนียม-238 (U-238) เมื่อเทียบกับนิวตรอนที่เร็วกว่าที่มาเป็นผลแต่เดิมมาจากการฟิชชั่น, เป็นการยอมให้สามารถใช้ยูเรเนียมสมรรถนะต่ำหรือเชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติด้วยซ้ำ ตัวหน่วงนิวตรอนมักจะเป็นตัวหล่อเย็นอีกด้วย, ปกติจะเป็นน้ำความดันสูงเพื่อเพิ่มจุดเดือด อุปกรณ์เหล่านี้จะถูกล้อมรอบด้วยอ่างปฏิกรณ์ (อังกฤษ: reactor vessel), เครื่องมือเฝ้าดูและควบคุมเครื่องปฏิกรณ์, โลห์ป้องกันรังสี, และอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
  • 'เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว' ใช้ 'นิวตรอนเร็ว' เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันในเชื้อเพลิงของพวกมัน พวกมันไม่ได้มีตัวหน่วงนิวตรอน, แต่ใช้สารหล่อเย็นที่มีตัวหน่วงน้อย การรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้คงไว้ต้องใช้เชื้อเพลิงที่เป็นวัสดุฟิชชั่นมีสมรรถนะสูงมาก (ประมาณ 20% หรือมากกว่า) อันเนื่องมาจากความน่าจะเป็นที่ค่อนข้างต่ำของการฟิชชั่นเมื่อเทียบกับการจับนิวตรอนโดย U-238 เครื่องปฏิกรณ์เร็วมีศักยภาพในการผลิตของเสียแบบ transuranic น้อยเพราะ actinides ทุกตัวจะสามารถทำฟิชชั่นได้ด้วยนิวตรอนเร็ว, แต่พวกมันจะสร้างยากกว่าและการดำเนินงานมีราคาแพงกว่า โดยรวม เครื่องปฏิกรณ์เร็วจะถูกใช้น้อยกว่าเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนในการใช้งานส่วนใหญ่ สถานีพลังงานช่วงต้นบางสถานีเป็นเครื่องปฏิกรณ์เร็วเช่นเดียวกับบางหน่วยเรือลากจูงรัสเซีย การสร้างต้นแบบเป็นไปอย่างต่อเนื่อง (ดู fast breeder หรือเครื่องปฏิกรณ์ generation IV)
• นิวเคลียร์ฟิวชัน พลังงานฟิวชั่นเป็นเทคโนโลยีการทดลอง, โดยทั่วไปมีไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ในขณะที่มันไม่เหมาะสำหรับการผลิตไฟฟ้า, ตัวทำปฏิกิริยาฟิวชั่นแบบ Farnsworth-Hirsch ถูกใช้ในการผลิตรังสีนิวตรอน

การจำแนกประเภทโดยวัสดุตัวหน่วง

ถูกใช้โดยเครื่องปฏิกรณ์ร้อน:

• เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้แกรไฟท์เป็นตัวหน่วง
• เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำเป็นตัวหน่วง
  • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำที่หนักเป็นตัวหน่วง (ใช้ในประเทศแคนาดา).
  • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำเบาเป็นตัวหน่วง (อังกฤษ: Light-water-moderated Reactor (LWR)) หรือสั้นๆว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (เป็นชนิดที่พบมากที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์ความร้อน) ใช้น้ำธรรมดาเพื่อหน่วงและหล่อเย็นเครื่องปฏิกรณ์ ที่อุณหภูมิการทำงาน, ถ้าอุณหภูมิของน้ำเพิ่มขึ้น, ความหนาแน่นของมันจะลดลง และนิวตรอนน้อยลงที่วิ่งผ่านมันจะชะลอความเร็ว แต่ก็มากพอที่จะก่อให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป negative feedback จะรักษาอัตราการเกิดปฏิกิริยา เครื่องปฏิกรณ์แกรไฟท์และน้ำหนักมีแนวโน้มที่จะ thermalised อย่างละเอียดได้ดีกว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา เนื่องจากมี thermalization ที่ยอดเยี่ยม, ประเภทเหล่านี้สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติ/เชื้อเพลิงที่ไม่ถูกปรับสมรรถนะ
• เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้องค์ประกอบเบาเป็นตัวหน่วง เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จะถูกหน่วงโดยลิเธียมหรือเบริลเลียม
  • เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้เกลือหลอมละลายเป็นตัวหน่วง (อังกฤษ: Molten salt reactor (MSR)) จะถูกหน่วงโดยองค์ประกอบเบาเช่นลิเธียมหรือเบริลเลียมซึ่งเป็นองค์ประกอบของเกลือ LiF และ BeF₂ ที่เป็นตัวหล่อเย็น/เชื้อเพลิงเมทริกซ์
  • เครื่องปฏิกรณ์หล่อเย็นด้วยโลหะเหลว, เช่นเดียวกับเครื่องที่มีตัวหล่อเย็นเป็นส่วนผสมของตะกั่วและบิสมัท, อาจใช้ Béo เป็นตัวหน่วง
• เครื่องปฏิกรณ์ที่มีตัวหน่วงแบบอินทรีย์ (อังกฤษ: Organically moderated reactor (OMR)) ใช้ biphenyl และ terphenyl เป็นตัวหน่วงและตัวหล่อเย็น

การจำแนกประเภทโดยตัวหล่อเย็น

 

การบำรุงรักษาส่วนภายในของกรอบเครื่องปฏิกรณ์ VVER-1000 ใน Atommash

 

ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ความร้อน (หรือที่เฉพาะเจาะจงคือ LWR) ตัวหล่อเย็นจะทำหน้าที่เป็นตัวหน่วง ที่ต้องชะลอความเร็วนิวตรอน ก่อนที่พวกมันจะสามารถถูกดูดซึมได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยเชื้อเพลิง

• เครื่องปฏิกรณ์หล่อเย็นด้วยน้ำ, กำลังดำเนินการอยู่ในประเทศสหรัฐอเมริกาทั้งหมด 104 เครื่อง. ในจำนวนนี้ เป็นเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ (PWR) 69 เครื่องและเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) 35 เครื่อง
  • เครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ (PWR), เป็นส่วนใหญ่ของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ของประเทศตะวันตกทั้งหมด
    • ลักษณะหลักของ PWRs คือตัวสร้างแรงดันที่เรียกว่า อ่างแรงดันเชี่ยวชาญ (อังกฤษ: specialized pressure vessel) PWRs ในเชิงพาณิชย์และเครื่องปฏิกรณ์ในเรือส่วนใหญ่ใช้ตัวสร้างแรงดัน ในระหว่างการดำเนินงานปกติ, ตัวสร้างแรงดันถูกเติมบางส่วนด้วยน้ำ, และฟองไอน้ำจะถูกเก็บไว้เหนือมันโดยการให้ความร้อนกับน้ำด้วยเครื่องทำความร้อนที่จมอยู่ใต้น้ำ ในระหว่างการดำเนินงานปกติ, ตัวสร้างแรงดันถูกเชื่อมต่อกับอ่างความดันเครื่องปฏิกรณ์ (อังกฤษ: reactor pressure vessel (RPV)) หลักและ "ฟอง" ของตัวสร้างแรงดันจะสร้างพื้นที่การขยายตัวสำหรับการเปลี่ยนแปลงของปริมาณน้ำในเครื่องปฏิกรณ์ การตระเตรียมแบบนี้ยังสร้างมาตรการการควบคุมความดันสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ โดยการเพิ่มหรือการลดแรงดันไอน้ำในตัวสร้างแรงดันโดยการใช้เครื่องทำความร้อนในตัวสร้างแรงดัน
    • เครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำหนักเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ, มีการใช้ร่วมกันของลูปขนส่งความร้อนที่ถูกอัดความดันที่แยกจากกัน แต่ใช้น้ำหนักเป็นสารหล่อเย็นและเป็นตัวหน่วงสำหรับประหยัดนิวตรอนได้มากขึ้น
  • เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR)
    • BWRs จะมีน้ำเดือดรอบแท่งเชื้อเพลิงในส่วนล่างของถังความดันของเครื่องปฏิกรณ์ขั้นต้น เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดใช้ ²³⁵U, ที่ถูกเสริมสถานะเป็นยูเรเนียมไดอ็อกไซด์, เป็นเชื้อเพลิงของมัน เชื้อเพลิงถูกประกอบขึ้นเป็นแท่งๆตั้งอยู่ในถังเหล็กที่จมอยู่ในน้ำ นิวเคลียร์ฟิชชั่นจะทำให้น้ำเดือด, สร้างไอน้ำขึ้น ไอน้ำนี้จะไหลผ่านท่อเข้าสู่กังหัน กังหันจะถูกขับเคลื่อนด้วยไอน้ำและกระบวนการนี้สร้างกระแสไฟฟ้า ในระหว่างการดำเนินงานปกติ ความดันจะถูกควบคุมโดยปริมาณของไอน้ำที่ไหลจากถังแรงดันเครื่องปฏิกรณ์ไปยังกังหัน
  • เครื่องปฏิกรณ์ประเภท Pool
• เครื่องปฏิกรณ์หล่อเย็นด้วยโลหะเหลว เนื่องจากน้ำเป็นตัวหน่วงอย่างหนึ่ง, มันไม่สามารถถูกนำมาใช้เป็นตัวหล่อเย็นในเครื่องปฏิกรณ์เร็ว สารหล่อเย็นแบบโลหะเหลวได้แก่โซเดียม, NaK, ตะกั่ว, ตะกั่วบิสมัทยูเทคติก, และในเครื่องปฏิกรณ์รุ่นแรก ๆ , ปรอท
  • เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยโซเดียม
  • เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยตะกั่ว
• เครื่องปฏิกรณ์หล่อเย็นด้วยแก๊ส จะระบายความร้อนด้วยแก๊สเฉื่อยหมุนเวียน, มักเป็นฮีเลียมในการออกแบบที่อุณหภูมิสูง, ในขณะที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีการใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ผ่านมาของอังกฤษและฝรั่งเศส ไนโตรเจนก็ถูกใช้เช่นกัน [อ้างจำเป็น] การใช้ประโยชน์จากความร้อนแตกต่างกันไป, ขึ้นอยู่กับเครื่องปฏิกรณ์ เครื่องปฏิกรณ์บางเครื่องทำงานจนร้อนพอที่จะทำให้แก๊สสามารถให้พลังงานกังหันแก๊สได้โดยตรง การออกแบบที่เก่ามากกว่ามักจะผ่านแก๊สไปที่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน (อังกฤษ: heat exchanger) เพื่อสร้างไอน้ำสำหรับกังหันไอน้ำ
• เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย (MSRs) จะถูกระบายความร้อนด้วยการหมุนเวียนเกลือหลอมละลาย, ได้แก่ส่วนผสมยูเทคติกของเกลือฟลูออไรเช่น FLiBe. ใน MSR ทั่วไป, ตัวหล่อเย็นยังถูกใช้เป็นเมทริกซ์ในที่ซึ่งวัตถุฟิชชั่นจะละลาย

การจำแนกประเภทโดยรุ่น

• เครื่องปฏิกรณ์ Generation I (ต้นแบบรุ่นแรกๆ, เครื่องปฏิกรณ์วิจัย, เครื่องปฏิกรณ์การผลิตพลังงานที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์)
• เครื่องปฏิกรณ์ Generation II (โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบันส่วนใหญ่ 1965-1996)
• เครื่องปฏิกรณ์ Generation III (การปรับปรุงวิวัฒนาการของการออกแบบที่มีอยู่ตั้งแต่ปี 1996 จนถึงปัจจุบัน)
• เครื่องปฏิกรณ์ Generation IV (เทคโนโลยียังอยู่ระหว่างการพัฒนา, ไม่ทราบวันที่เริ่มต้น, อาจเสร็จในปี 2030)

"Gen IV" ถูกขนานนามโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) สำหรับการพัฒนารูปแบบโรงงานใหม่ในปี 2000. ในปี 2003 Commissariat à l'Énergie Atomique]] (CEA) ของฝรั่งเศส เป็นคนแรกที่อ้างถึง Gen II ในวารสาร Nucleonics Week, การกล่าวขวัญครั้งแรกของ Gen III ก็เกิดขึ้นในปี 2000 ร่วมกับการเปิดตัวของแผน Generation IV International Forum (GIF)

การจำแนกประเภทโดยขั้นตอนของเชื้อเพลิง

• เชื้อเพลิงแข็ง
• เชื้อเพลิงเหลว
  • เครื่องปฏิกรณ์น้ำเหมือนกัน
  • เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย
• เชื้อเพลิงแก๊ส (ทางทฤษฎี)

การจำแนกประเภทโดยการใช้ประโยชน์

• ไฟฟ้า
  • โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์, รวมทั้งเครื่องปฏิกรณ์แบบโมดูลาร์ขนาดเล็ก
• การขับเคลื่อน, ดู เครื่องยนต์นิวเคลียร์
  • การขับเคลื่อนนิวเคลียร์ทางทะเล
  • รูปแบบที่เสนอต่างๆของการขับเคลื่อนจรวด
• การใช้ความร้อนอื่น ๆ
  • กระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำ
  • ความร้อนเพื่อให้ความอบอุ่นในชุมชนและเพื่อการอุตสาหกรรม
  • การผลิตไฮโดรเจนสำหรับการใช้งานในระบบเศรษฐกิจไฮโดรเจน
• เครื่องปฏิกรณ์การผลิตสำหรับการแปลงสภาพ (อังกฤษ: transmutation) ขององค์ประกอบ
  • เครื่องปฏิกรณ์ Breeder ที่มีความสามารถในการผลิตสารฟิชชั่นได้มากขึ้นกว่าที่พวกมันจะบริโภค ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน (โดยการแปลง U-238 สมรรถนะสูงให้เป็น Pu-239 หรือ Th-232 สมรรถนะสูงให้เป็น U-233) ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์ยูเรเนียม Breeder, ทันทีที่มันทำงาน, มันจะสามารถทำงานได้ด้วยเชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติหรือแม้แต่ยูเรเนียมที่สลายตัวหมดได้, และเครื่องปฏิกรณ์ทอเรียม Breeder ก็จะสามารถทำงานได้ด้วยเชื้อเพลิงทอเรียม อย่างไรก็ตาม มันต้องการสต็อกเริ่มต้นของวัสดุฟิชชั่น
  • การสร้างไอโซโทปกัมมันตรังสีต่าง ๆ เช่นอะเมริเซียมสำหรับใช้ในการตรวจจับควันและโคบอลต์-60, โมลิบดีนัม-99 และอื่นๆ ที่ใช้สำหรับการถ่ายภาพและการรักษาพยาบาล
  • การผลิตวัสดุสำหรับอาวุธนิวเคลียร์เช่นพลูโตเนียมเกรดอาวุธ
• เป็นแหล่งผลิตรังสีนิวตรอน (เช่นอุปกรณ์โกไดวาแบบพัลส์ (อังกฤษ: pulsed Godiva device)) และการฉายรังสีโพซิตรอน (กัมมันตภาพรังสีจำนวนมากถูกผลิตโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ทุติยภูมิ ในน้ำซึ่งไหลเวียนผ่านแกนกลางของเครื่องปฏิกรณ์พลังงาน ปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดคือปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดโพซิตรอนคือ 16O (p, α) 13N และ 10B (a, α) 13N ซึ่งเป็นปฏิกิริยาดูดกลืนพลังงาน และ 18O (p, n) 18F ซึ่งเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน การผลิตนิวไคลด์แบบโพสิตรอนนั้นมีความสำคัญเป็นพิเศษในกรณีของเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือด ในเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวน้ำไม่ควบแน่นและไอน้ำซึ่งมีการหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องจากคอนเดนเซอร์ สามารถให้ปริมาณ N-13 ที่เพียงพอ ซึ่งจะสลายตัวปลดปล่อยโพซิตรอน) การนำไปใช้งานเช่น การวิเคราะห์นิวตรอนที่อยู่ในภาวะเร้า, และการวัดอายุโดยใช้วิธีอาร์กอน-อาร์กอน Ar-40 / Ar-39 (โดยการฉายรังสีนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อแปลงโปแตสเซียม (K-39) ที่เสถียรเป็น Ar-39 ที่มีกัมมันตภาพรังสี ตราบที่มีสารมาตรฐานที่ทราบอายุจากการฉายรังสีร่วมกันกับตัวอย่างวัตถุที่ไม่ทราบอายุ เป็นไปได้ที่จะใช้การวัดเพียงไอโซโทปของอาร์กอนเพื่อคำนวณอัตราส่วน K-40 / Ar-40* และคำนวณอายุของตัวอย่างวัตถุที่ต้องการ โดย Ar-40* เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี)
• เครื่องปฏิกรณ์วิจัย: เครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปจะถูกใช้สำหรับการวิจัยและการฝึกอบรม, การทดสอบวัสดุ, หรือการผลิตสารไอโซโทปรังสีสำหรับการแพทย์และอุตสาหกรรม, เครื่องเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าเครื่องปฏิกรณ์พลังงานหรือพวกที่ใช้ขับเคลื่อนเรือ, และงานอื่น ๆ ที่อยู่ในมหาวิทยาลัย เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวมีประมาณ 280 เครื่องที่มีการดำเนินงานใน 56 ประเทศ บางเครื่องทำงานกับเชื้อเพลิงยูเรเนียมสมรรถนะสูง, และมีความพยายามระหว่างประเทศที่จะทดแทนด้วยเครื่องที่ดำเนินการด้วยเชื้อเพลิงสมรรถนะต่ำ

เทคโนโลยีปัจจุบัน

 

Diablo แคนยอน - เป็นเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ (PWR)

Pressurized water reactors (PWR)

เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้ถังความดันหนึ่งถังเพื่อใส่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์, แท่งควบคุม, ตัวหน่วง, และตัวหล่อเย็น. การระบายความร้อนและการหน่วงจะใช้น้ำของเหลวแรงดันสูง น้ำความร้อนสูงที่มีกัมมันตรังสีที่ถูกปล่อยออกจากถังความดัน จะไหลเวียนผ่านเครื่องกำเนิดไอน้ำซึ่งจะส่งผ่านความร้อนไปให้วงน้ำที่สอง (ที่ไม่มีกัมมันตรังสี) เพื่อหมุนกังหัน. พวกมันเป็นส่วนใหญ่ของเครื่องปฏิกรณ์ในปัจจุบัน นี่คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนแบบหนึ่ง, รุ่นใหม่ล่าสุดคือ VVER-1200 ซึ่งเป็น'เครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำขั้นสูง'และ'เครื่องปฏิกรณ์แรงดันยุโรป' 'เครื่องปฏิกรณ์นาวีสหรัฐอเมริกา' ก็เป็นประเภทนี้

 

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Laguna Verde ใช้เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR)

Boiling water reactors (BWR)

BWR เป็นเหมือน PWR ที่ไม่มีเครื่องกำเนิดไอน้ำ เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดจะถูกหล่อเย็นและถูกหน่วงด้วยน้ำเหมือน PWR แต่ด้วยความดันที่ต่ำกว่าซึ่งจะยอมให้น้ำไปต้มภายในถังความดันเพื่อผลิตไอน้ำที่ขับกังหัน แตกต่างจาก PWR, มันไม่มีวงน้ำแรกและวงน้ำที่สอง ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จะสามารถทำให้สูงกว่าและง่ายกว่า และแม้แต่ยังอาจมีเสถียรภาพมากกว่าและปลอดภัยกว่าอีกด้วย นี่คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนแบบหนึ่ง, ที่ใหม่ล่าสุดเป็น 'เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง' และ 'เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดง่ายและประหยัด'

 

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Qinshan ใช้ CANDU

Pressurised heavy water reactor (PHWR)

การออกแบบแคนาดา (เรียกว่า CANDU) เป็นเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำที่ระบายความร้อนและหน่วงปฏิกิริยาด้วยน้ำหนัก (อังกฤษ: heavy water). แทนที่จะใช้ถังความดันขนาดใหญ่ถังเดียวอย่างใน PWR, เชื้อเพลิงจะถูกเก็บอยู่ในท่อความดันหลายร้อยท่อ เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้เชื้อเพลิงเป็นยูเรเนียมธรรมชาติและเป็นแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน PHWRs สามารถเติมเชื้อเพลิงในขณะทำงานเต็มที่ซึ่งทำให้พวกมันมีประสิทธิภาพการใช้ยูเรเนียมสูงมาก (มันช่วยในการควบคุมฟลักซ์ในแกนที่แม่นยำ) PHWRs CANDU มีการสร้างขึ้นในแคนาดา, อาร์เจนตินา, จีน, อินเดีย, ปากีสถาน, โรมาเนียและเกาหลีใต้ อินเดียก็ยังทำงานกับ PHWRs จำนวนมากที่มักจะเรียกมันว่า 'อนุพันธ์ของ CANDU' ที่ถูกสร้างขึ้นหลังจากที่รัฐบาลของแคนาดาหยุดการติดต่อนิวเคลียร์กับอินเดีย หลังจากโครงการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ 'ยิ้มพระพุทธ'ปี 1974

 

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Ignalina เป็นประเภท RBMK (ปิดปี 2009)

Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy (เครื่องปฏิกรณ์ช่องทางกำลังสูง) (RBMK)

ออกแบบโดยสหภาพโซเวียต, ถูกสร้างขึ้นเพื่อผลิตพลูโตเนียมเช่นเดียวกับเพื่อพลังงาน RBMKs จะระบายความร้อนด้วยตัวหน่วงแกรไฟท์ ในบางลักษณะของRBMKs จะคล้ายกับ CANDU ในการที่พวกมันจะสามารถเติมเชื้อเพลิงใหม่ระหว่างการดำเนินการผลิตพลังงาน และมีการติดตั้งท่อความดันแทนถังความดันแบบ PWR อย่างไรก็ตาม, ไม่เหมือนกับ CANDU พวกมันมีความไม่เสถียรและมีขนาดใหญ่ ทำให้อาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของพวกมันมีราคาแพง ข้อบกพร่องด้านความปลอดภัยที่วิกฤตเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในการออกแบบของ RBMK, แม้ว่าบางส่วนของข้อบกพร่องเหล่านี้ได้รับการแก้ไขหลังจากภัยพิบัติเชอร์โนบิล จุดน่าสนใจหลักของพวกมันคือการใช้งานของน้ำเบาและยูเรเนียมที่ไม่ได้เสริมสมรรถนะ ในปี 2010, 11 เครื่องยังคงเปิดใช้งาน, ส่วนใหญ่เนื่องจากการปรับปรุงความปลอดภัยและความช่วยเหลือจากหน่วยงานความปลอดภัยระหว่างประเทศเช่น DOE แม้จะมีการปรับปรุงความปลอดภัยเหล่านี้, เครื่องปฏิกรณ์ RBMK ก็ยังถือว่าเป็นหนึ่งในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่อันตรายที่สุดในการใช้งาน เครื่องปฏิกรณ์ RBMK ถูกนำไปใช้เฉพาะในอดีตสหภาพโซเวียต

 

สถานีพลังงานนิวเคลียร์ Magnox Sizewell A

 

สถานีพลังงานนิวเคลียร์ Torness ใช้เครื่องปฏิกรณ์ก๊าซระบายความร้อนสูง (AGR)

Gas-cooled reactor (GCR) and advanced gas-cooled reactor (AGR)

เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ทั่วไปจะใช้ตัวหน่วงแบบแกรไฟท์และหล่อเย็นด้วย CO₂ พวกมันสามารถมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่สูงเมื่อเทียบกับ PWRs เนื่องจากพวกมันใช้อุณหภูมิในการดำเนินงานที่สูงกว่า มีเครื่องปฏิกรณ์จำนวนมากที่มีการใช้งานอยู่, ส่วนใหญ่อยู่ในสหราชอาณาจักร, ในที่ซึ่งแนวคิดของการออกแบบได้รับการพัฒนาที่นั่น การออกแบบที่มีอายุมากกว่า (เช่นสถานี Magnox) อาจจะปิดตัวลงในอนาคตอันใกล้ อย่างไรก็ตาม AGCRs คาดว่าจะมีอายุใช้งานได้ต่อไปอีก 10 ถึง 20 ปี การออกแบบเป็นแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน ค่าใช้จ่ายในการรื้อถอนอาจสูงมากเนื่องจากแกนของเครื่องปฏิกรณ์มีปริมาตรขนาดใหญ่

เครื่องปฏิกรณ์ Fast breeder โลหะของเหลว (อังกฤษ: Liquid-metal Fast breeder Reactor (LMFBR))

นี้คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่ระบายความร้อนด้วยโลหะของเหลว, ไม่มีการหน่วงโดยสิ้นเชิง, และผลิตเชื้อเพลิงได้มากกว่าที่มันบริโภคเข้าไป เรียกได้ว่าพวกมัน "ให้กำเนิด (อังกฤษ: breed)" เชื้อเพลิงเพราะพวกมันผลิตเชื้อเพลิงที่สามารถทำฟิชชั่นได้ระหว่างการดำเนินการโดยการจับนิวตรอน เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้สามารถทำงานได้เหมือน PWR ในแง่ของประสิทธิภาพและไม่จำเป็นต้องมีภาชนะบรรจุที่มีแรงดันสูงมาก เนื่องจากโลหะของเหลวไม่จำเป็นต้องถูกเก็บไว้ที่ความดันสูงแม้แต่ที่อุณหภูมิสูงมาก เครื่องปฏิกรณ์ BN-350 และ BN-600 ในสหภาพโซเวียตและ Superphénix ในประเทศฝรั่งเศสเป็นเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้, เช่นเดียวกับ Fermi-I ในสหรัฐอเมริกา เครื่องปฏิกรณ์ Monju ในประเทศญี่ปุ่นประสบปัญหาการรั่วไหลของโซเดียมในปี 1995 และได้รับการเริ่มเดินเครื่องใหม่ในเดือนพฤษภาคม 2010 พวกมันทั้งหมดใช้ / เคยใช้โซเดียมเหลว เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้เป็นแบบนิวตรอนเร็ว, ไม่ใช่แบบนิวตรอนร้อน เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้มีสองประเภท ได้แก่:

 

Superphénix ซึ่งเป็นหนึ่งในไม่กี่ตัวที่เป็น FBRs

หล่อเย็นด้วยตะกั่ว

ตะกั่วเป็นโลหะเหลวที่ป้องกันรังสีได้ดีมากและช่วยให้สามารถดำเนินงานที่อุณหภูมิสูงมาก นอกจากนี้ ตะกั่ว (ส่วนใหญ่) จะโปร่งใสกับนิวตรอน, ดังนั้น มีนิวตรอนน้อยมากที่จะหายไปในตัวหล่อเย็นและตัวหล่อเย็นก็ไม่เป็นกัมมันตรังสี แตกต่างจากโซเดียม, ตะกั่วส่วนใหญ่จะเฉื่อย, จึงมีความเสี่ยงน้อยลงจากการระเบิดหรืออุบัติเหตุ, แต่ปริมาณมากขนาดนั้นอาจจะนำไปสู่​​ปัญหาจากพิษวิทยาและในมุมมองของการกำจัด บ่อยครั้งที่เครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้จะใช้สารผสมตะกั่วบิสมัทยูเทคติก ในกรณีนี้บิสมัทจะนำเสนอปัญหารังสีส่วนน้อยบางอย่าง, เนื่องจากมันค่อนข้างจะไม่โปร่งใสกับนิวตรอน, และสามารถแปรไปเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีมากขึ้นอย่างรวดเร็วกว่าตะกั่ว เรือดำน้ำชั้นอัลฟ่าของรัสเซียใช้เครื่องปฏิกรณ์รวดเร็วหล่อเย็นด้วยตะกั่วบิสมัท เป็นโรงงานพลังงานหลักของมัน

หล่อเย็นด้วยโซเดียม

LMFBRs ส่วนใหญ่จะเป็นประเภทนี้ โซเดียมค่อนข้างหาได้ง่ายและทำงานด้วย และก็ยังป้องกันไม่ให้เกิดการกัดกร่อนจริงในส่วนเครื่องปฏิกรณ์ต่าง ๆ ที่แช่อยู่ในตัวมัน อย่างไรก็ตาม โซเดียมระเบิดอย่างรุนแรงเมื่อสัมผัสกับน้ำ, ดังนั้นต้องระมัดระวัง, แต่การระเบิดดังกล่าวจะไม่มีความรุนแรงมากไปกว่า (ตัวอย่าง) การรั่วไหลของของเหลวที่ร้อนอย่างมากจากเครื่องปฏิกรณ์น้ำวิกฤตยิ่งยวด (อังกฤษ: Supercritical water reactor (SCWR)) หรือ PWR EBR-I, เครื่องปฏิกรณ์ตัวแรกที่หลอมละลาย, จะเป็นประเภทนี้

เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกรวด (อังกฤษ: Pebble-bed reactor (PBR))

เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ใช้เชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปเป็นลูกกลมเซรามิกและจากนั้นก็หมุนเวียนแก๊สผ่านลูก บอลเหล่านี้ ผลที่ได้คือเครื่องปฏิกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ, การบำรุงรักษาต่ำ, ปลอดภัยมากขึ้นด้วยเชื้อเพลิงมาตรฐานราคาถูก ต้นแบบเป็น AVR

เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย

เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้จะละลายเชื้อเพลิงในเกลือฟลูออไรด์, หรือใช้เกลือฟลูออไรด์เป็นตัวหล่อเย็น มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยจำนวนมาก, มีประสิทธิภาพสูงและความหนาแน่นพลังงานสูงเหมาะสำหรับยานพาหนะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกมันไม่มีความกดดันสูงหรือส่วนประกอบที่ติดไฟได้ง่ายในแกน ต้นแบบเป็น Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) ซึ่งยังใช้วัฏจักรเชื้อเพลิงของทอเรียมในการผลิต 0.1% ของกากกัมมันตรังสีของเครื่องปฏิกรณ์มาตรฐาน

เครื่องปฏิกรณ์ของเหลวเนื้อเดียวกัน (อังกฤษ: Aqueous Homogeneous Reactor (AHR))

เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ใช้เกลือนิวเคลียร์ละลายน้ำได้ ที่ละลายลงในน้ำและผสมกับตัวหล่อเย็นและตัวหน่วงนิวตรอน

อนาคตและเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนา

เครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูง

มากกว่าหนึ่งโหลของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงยังอยู่ในขั้นตอนต่าง ๆ ของการพัฒนา บางตัวมีวิวัฒนาการจากการออกแบบ PWR, BWR และ PHWR ข้างต้น, บางตัวแหวกแนวออกไป แบบเก่าได้แก่เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง (อังกฤษ: advanced boiling water reactor (ABWR)), สองตัวในจำนวนนั้นขณะนี้กำลังดำเนินงานขณะที่ตัวอื่น ๆ อยู่ระหว่างการก่อสร้าง, และเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดอย่างง่ายแบบประหยัด (อังกฤษ: Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR)) ที่มีความปลอดภัยแบบพาสซีฟ (อังกฤษ: passively safe) และหน่วย AP1000 ที่ถูกวางแผนไว้ (ดูโครงการพลังงานนิวเคลียร์ 2010)

• เครื่องปฏิกรณ์เร็วแบบองค์รวม (อังกฤษ: Integral Fast Reactor (IFR)) ถูกสร้างขึ้น, ผ่านการทดสอบและประเมินผลในระหว่างปี 1980s และจากนั้นก็ปลดระวางภายใต้การบริหารงานของคลินตันในปี 1990s อันเนื่องมาจากนโยบายที่ไม่แพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ของรัฐบาล การรีไซเคิลเชื้อเพลิงใช้แล้ว(อังกฤษ: spent nuclear fuel (SNF))เป็นหลักในการออกแบบและเพราะฉะนั้นมันจึงผลิตเพียงเศษเสี้ยวของเสียของเครื่องปฏิกรณ์ปัจจุบัน
• เครื่องปฏิกรณ์ถังกรวดเป็นเครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงระบายความร้อนด้วยแก๊ส (อังกฤษ: high-temperature gas-cooled reactor (HTGCR))} ได้รับการออกแบบเพื่อให้อุณหภูมิสูงไปลดการส่งออกของพลังงานโดยการขยาย Doppler (อังกฤษ: Doppler broadening)ของหน้าตัดนิวตรอนของเชื้อเพลิง มันใช้เชื้อเพลิงเซรามิกเพื่อให้อุณหภูมิของการดำเนินงานที่ปลอดภัยเกินช่วงอุณหภูมิที่ใช้ลดพลังงาน การออกแบบส่วนใหญ่จะหล่อเย็นด้วยก๊าซฮีเลียมเฉื่อย ฮีเลียมไม่ขึ้นอยู่กับการระเบิดไอน้ำแต่ต่อต้านการดูดซึมนิวตรอนจึงนำไปสู่​​กัมมันตภาพรังสี, และไม่ละลายสารปนเปื้อนที่สามารถกลายเป็นกัมมันตรังสี การออกแบบโดยทั่วไปมีหลายชั้น (มากถึง 7 ชั้น) ของภาชนะบรรจุพาสซีฟมากกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเบา (ปกติมี 3 ชั้น) คุณลักษณะเฉพาะที่ไม่เหมือนใครที่อาจช่วยด้านความปลอดภัยคือ ลูกกลมเชื้อเพลิงที่สร้างรูปแบบจริงของกลไกของแกน, และจะถูกแทนที่ทีละลูกเมื่อพวกมันมีอายุมากขึ้น การออกแบบของเชื้อเพลิงทำให้การนำกลับไปเข้ากระบวนการใหม่ของเชื้อเพลิงมีราคาแพง
• เครื่องปฏิกรณ์อิสระขนาดเล็กปิดผนึกขนส่งได้ (อังกฤษ: Small, sealed, transportable, autonomous reactor (SSTAR)) กำลังถูกวิจัยและพัฒนาขั้นต้นในสหรัฐอเมริกา, ตั้งใจจะให้เป็นเครื่องปฏิกรณ์ fast breeder ที่มีความปลอดภัยแบบพาสซีฟและสามารถถูกทำให้ปิดตัวลงจากระยะไกล ในกรณีที่ความสงสัยที่เกิดขึ้นว่ามันจะถูกดัดแปลงเพื่อทำลาย
• เครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงที่สะอาดและปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม (อังกฤษ: Clean And Environmentally Safe Advanced Reactor (CAESAR)) เป็นแนวคิดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ไอน้ำเป็นตัวหน่วง - การออกแบบนี้ยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา
• เครื่องปฏิกรณ์ลดการหน่วงของน้ำ (อังกฤษ: Reduced moderation water reactor) สร้างบนเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือดขั้นสูง (อังกฤษ: Advanced boiling water reactor (ABWR)) ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน, มันไม่ได้เป็นเครื่องปฏิกรณ์เร็วที่สมบูรณ์แต่ใช้นิวตรอน epithermal ส่วนใหญ่แทน, ซึ่งอยู่ระหว่างนิวตรอนร้อนและนิวตรอนเร็ว
• โมดูลพลังงานนิวเคลียร์ใช้ไฮโดรเจนเป็นตัวหน่วงควบคุมตนเอง (อังกฤษ: hydrogen-moderated self-regulating nuclear power module (HPM)) คือการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เล็ดลอดออกมาจาก 'ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส' ที่ใช้ยูเรเนียมไฮไดรด์เป็นเชื้อเพลิง
• เครื่องปฏิกรณ์ subcritical ถูกออกแบบมาให้มีความปลอดภัยและมีเสถียรภาพมากขึ้น, แต่ก่อให้เกิดปัญหาทางวิศวกรรมและทางเศรษฐกิจจำนวนมาก ตัวอย่างหนึ่งตัวขยายพลังงาน
• เครื่องปฏิกรณ์แบบทอเรียม มันเป็นไปได้ที่จะแปลงทอเรียม-232 ให้เป็น U-233 ในเครื่องปฏิกรณ์ที่ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษเพื่อวัตถุประสงค์นั้น ด้วยวิธีนี้ ทอเรียมซึ่งมีจำนวนมากมายกว่ายูเรเนียมสามารถใช้ในการ breed เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ U-233 ยังมีความเชื่อกันว่า U-233 มีคุณสมบัตินิวเคลียร์ที่ดีเมื่อเทียบกับการใช้ U-235 แบบดั้งเดิม, รวมทั้งการประหยัดนิวตรอนที่ดีกว่าและการผลิตของเสีย transuranic อายุยืนที่ต่ำกว่า
  • เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักขั้นสูง (อังกฤษ: Advanced heavy-water reactor (AHWR)) - น้ำหนักจะถูกนำเสนอเพื่อเป็นตัวหน่วงของเครื่องปฏิกรณ์ไฟฟ้านิวเคลียร์ ที่จะถูกออกแบบเป็นรุ่นต่อไปของประเภท PHWR, ปัจจุบันอยู่ระหว่างการพัฒนาในศูนย์วิจัยปรมาณู Bhabha (BARC), ประเทศอินเดีย
  • Kamini - เครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่ซ้ำแบบใครใช้ไอโซโทปของยูเรเนียม-233 เป็นเชื้อเพลิง, ถูกสร้างขึ้นในประเทศอินเดียโดย BARC และ ศูนย์วิจัยปรมาณู Indira Gandhi (IGCAR)
  • อินเดียก็กำลังวางแผนที่จะสร้างเครื่องปฏิกรณ์ fast breeder โดยใช้วัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม-ยูเรเนียม-233. FBTR (Fast Breeder Test Reactor) ในการดำเนินงานที่ Kalpakkam (อินเดีย) ใช้พลูโตเนียมเป็นเชื้อเพลิงและใช้โซเดียมเหลวเป็นตัวหล่อเย็น

เครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่สี่

เครื่องปฏิกรณ์ Generation IV เป็นชุดหนึ่งของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทางทฤษฎีที่กำลังมีการวิจัยในขณะนี้ การออกแบบเหล่านี้ทั่วไปมักจะไม่คาดว่าจะสามารถใช้ได้สำหรับการก่อสร้างเชิงพาณิชย์ก่อนปี 2030. เครื่องปฏิกรณ์ปัจจุบันที่อยู่ในการดำเนินงานทั่วโลกโดยทั่วไปมีการพิจารณาว่า เป็นระบบรุ่นที่สองหรือที่สามโดยที่ระบบรุ่นแรกได้รับการปลดระวางไปก่อนหน้านี้แล้ว การวิจัยสำหรับประเภทของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ได้เริ่มต้นอย่างเป็นทางการโดย Generation IV International Forum (GIF) ตามพื้นฐานของเป้าหมายเทคโนโลยีแปดอย่าง เป้าหมายเบื้องต้นก็คือเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของนิวเคลียร์, ปรับปรุงความต้านทานการแพร่ขยาย, ลดของเสียและเพิ่มการใช้ประโยชน์ในทรัพยากรธรรมชาติ และเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการสร้างและการดำเนินงานของโรงงานดังกล่าว

• เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยแก๊ส
• เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยตะกั่ว
• เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย
• เครื่องปฏิกรณ์เร็วหล่อเย็นด้วยโซเดียม
• เครื่องปฏิกรณ์น้ำวิกฤตยิ่งยวด
• เครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงมาก

เครื่องปฏิกรณ์รุ่น 5+

เครื่องปฏิกรณ์ Generation V มีการออกแบบที่มีความเป็นไปได้ในทางทฤษฎีและยังไม่ได้รับการพิจารณาหรือการวิจัยอย่างจริงจังในปัจจุบัน แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวอาจจะสร้างขึ้นด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันหรือในระยะใกล้, พวกมันได้เรียกความสนใจได้เล็กน้อยด้วยหลายเหตุผลทางเศรษฐศาสตร์, การปฏิบัติจริง, หรือความปลอดภัย

• เครื่องปฏิกรณ์แกนของเหลวเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แกนเป็นของเหลววงปิด ที่วัตถุฟิชชั่นคือยูเรเนียมหลอมเหลวหรือสารละลายยูเรเนียมถูกหล่อเย็นด้วยแก๊สทำงาน ที่ถูกสูบเข้าไปผ่านหลุมหลายหลุมในฐานของถังบรรจุ
• เครื่องปฏิกรณ์แกนแก๊สเป็นรุ่นวงปิดของจรวดหลอดไฟนิวเคลียร์ (อังกฤษ: nuclear lightbulb rocket) ที่วัตถุฟิชชั่นคือแก๊สยูเรเนียม hexafluoride ที่เก็บอยู่ในถังซิลิกาหลอมละลาย แก๊สทำงาน (เช่นไฮโดรเจน) จะไหลไปรอบ ๆ ถังนี้ และดูดซับแสงยูวีที่ผลิตโดยปฏิกิริยา ในทางทฤษฎีการใช้ UF₆ เป็นเชื้อเพลิงทำงานโดยตรง (แทนที่จะเป็นขั้นตอนแบบที่ทำตอนนี้) จะหมายถึงค่าใช้จ่ายของกระบวนการลดลง, และเครื่องปฏิกรณ์มีขนาดเล็กมาก ในทางปฏิบัติ การเดินเครื่องปฏิกรณ์ที่ความหนาแน่นพลังงานสูงแบบนี้อาจจะผลิตฟลักซ์นิวตรอนไม่สามารถจัดการได้, ทำให้วัสดุเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่อ่อนแอลง, และดังนั้นเมื่อฟลักซ์จะคล้ายกับที่คาดว่าจะเกิดในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น, มันจะต้องมีวัสดุที่คล้ายกับพวกที่ถูกเลือกโดย 'สิ่งอำนวยความสะดวกวัสดุการฉายรังสีฟิวชั่นนานาชาติ' (อังกฤษ: International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF))
  • เครื่องปฏิกรณ์แกนแก๊ส EM. เหมือนกับในเครื่องปฏิกรณ์แกนแก๊ส แต่มีแผงโซลาร์เซลล์ที่แปลงแสงยูวีโดยตรงให้เป็นไฟฟ้า.
• เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันบางส่วน
• ไฮบริดนิวเคลียร์ฟิวชั่น จะใช้นิวตรอนที่ปล่อยออกมาโดยฟิวชั่นเพื่อทำปฏิกิริยาฟิชชั่นกับ 'ผ้าห่ม' ของวัสดุที่อุดมสมบูรณ์เช่น U-238 หรือ Th-232 และเปลี่ยนผ่าเหล่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว / กากนิวเคลียร์ของปฏิกรณ์อื่นๆให้เป็นไอโซโทปที่ค่อนข้างอ่อนโยนมากกว่า

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น

นิวเคลียร์ฟิวชันที่ถูกควบคุม ในหลักการสามารถที่จะนำมาใช้ในโรงไฟฟ้าฟิวชั่น ในการผลิตไฟฟ้าโดยไม่มีความซับซ้อนของการจัดการพวก actinides ทั้งหลาย, แต่อุปสรรคทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคที่สำคัญยังคงอยู่ หลายเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นได้รับการสร้างขึ้น แต่ยังไม่มีสักเครื่องที่สามารถ 'ผลิต' พลังงานความร้อนได้มากกว่าพลังงานไฟฟ้าที่บริโภคเข้าไป แม้จะมีการวิจัยที่มีการเริ่มต้นในปี 1950s, ไม่มีเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นเชิงพาณิชย์ที่คาดว่าจะทำสำเร็จก่อนปี 2050 โครงการ ITER ขณะนี้กำลังพยายามที่จะนำพลังงานฟิวชั่นไปใช้ทางการค้า

วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

บทความหลัก: วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์ร้อนโดยทั่วไปขึ้นอยู่กับยูเรเนียมที่ถูกกลั่นและเสริมสมรรถนะ บางเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถทำงานด้วยส่วนผสมของพลูโตเนียมและยูเรเนียม (ดู MOX) กระบวนการที่แร่ยูเรเนียมถูกขุดขึ้นมา, ผ่านกระบวนการผลิต, เสริมสมรรถนะ, ถูกนำไปใช้งาน, อาจจะถูกแปรสภาพและจำหน่ายทิ้งไป, เหล่านี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

น้อยกว่า 1% ของยูเรเนียมที่พบในธรรมชาติเป็นไอโซโทปของ U-235 ที่สามารถทำปฏิกิริยาฟิชชั่นได้อย่างง่ายดาย และด้วยเหตุนี้การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีสมรรถนะสูง สมรรถนะที่สูงนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของจำนวนเปอร์เซ็นต์ของ U-235 และมักจะถูกทำด้วยวิธีการของการแตกตัวของแก๊ส (อังกฤษ: gaseous diffusion) หรือ การเหวี่ยงแก๊สเข้าสู่ศูนย์กลาง(อังกฤษ: gas centrifuge) ผลที่ได้จากการเสริมสมรรถนะจะถูกส่งต่อไปเปลี่ยนให้เป็นผงยูเรเนียมไดออกไซด์, ซึ่งจะถูกกดและยิงให้อยู่ในรูปแบบเม็ด เม็ดเหล่านี้จะถูกวางซ้อนกันเป็นหลอด ๆ แล้วจะถูกปิดผนึกซึ่งจะเรียกมันว่าแท่งเชื้อเพลิง (อังกฤษ: fuel rod) หลายแท่งเชื้อเพลิงเหล่านี้จะถูกใช้ในแต่ละเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์ BWR และ PWR เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้ยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะที่ประมาณ 4% ของ U-235, และเครื่องปฏิกรณ์เชิงพาณิชย์บางเครื่องที่มีนิวตรอนเศรษฐกิจ (อังกฤษ: neutron economy) สูงไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่เสริมสมรรถนะเลย (นั่นคือพวกมันสามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติได้) จากข้อมูลสำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ, มีอย่างน้อย 100 เครื่องปฏิกรณ์วิจัยในโลกใช้เชื้อเพลิงสมรรถนะสูง (weapons-grade / ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ 90%) ความเสี่ยงจากการขโมยน้ำมันเชื้อเพลิงนี้ (อาจใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์) ได้นำไปสู่​​แคมเปญการสนับสนุนการแปลงของประเภทของเครื่องปฏิกรณ์นี้ให้เป็นยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ (ซึ่งเป็นภัยคุกคามน้อยกว่าการแพร่ขยาย).

U-235 ที่ฟิชชั่นได้และไม่ฟิชชั่นแต่สามารถทำให้ฟิชชั่นได้และ U-238 ที่อุดมสมบูรณ์ทั้งหมดนี้ใช้ในกระบวนการฟิชชัน U-235 สามารถทำให้ฟิชชั่นได้โดยนิวตรอนร้อน (หรือเคลื่อนไหวช้า) นิวตรอนร้อนเป็นตัวที่มีการเคลื่อนไหวประมาณความเร็วเดียวกับอะตอมที่อยู่รอบตัวมัน เนื่องจากอะตอมทั้งหมดจะสั่นเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของพวกมัน, นิวตรอนร้อนมีโอกาสที่ดีที่สุดที่จะฟิชชั่น U-235 เมื่อมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกันกับการสั่นนี้ ในอีกด้านหนึ่ง U-238 มีแนวโน้มที่จะจับนิวตรอนเมื่อนิวตรอนที่มีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วมาก อะตอมของ U-239 นี้จะสลายตัวในไม่ช้าเป็นพลูโตเนียม-239 ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงอีกแบบหนึ่ง Pu-239 เป็นเชื้อเพลิงทำงานได้และต้องมีหน้าที่รับผิดชอบ แม้ว่าเมื่อเชื้อเพลิงยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงจะถูกนำมาใช้ การฟิชชั่นของพลูโตเนียมจะมีอิทธิพลเหนือการฟิชชั่นของ U-235 ในเครื่องปฏิกรณ์บางตัว, โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจาก U-235 ที่ถูกจ่ายให้ตอนแรกถูกนำไปใช้แล้ว พลูโตเนียมสามารถฟิชชั่นได้ทั้งแบบนิวตรอนเร็วและนิวตรอนร้อน ซึ่งทำให้มันเหมาะสำหรับทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือระเบิดนิวเคลียร์

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็นเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนและมักจะใช้น้ำเป็นตัวหน่วงนิวตรอน (ตัวหน่วงหมายความว่ามันหน่วงความเร็วของนิวตรอนให้ช้าลงที่ความเร็วของความร้อน) และใช้น้ำเป็นตัวหล่อเย็น. แต่ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ fast breeder จะใช้ตัวหล่อเย็นเป็นอย่างอื่นซึ่งจะไม่ได้หน่วงหรือทำให้นิวตรอนช้าลงมากนัก นี่ทำให้นิวตรอนเร็วเหนือกว่า, ซึ่งสามารถถูกนำมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อเติมเต็มการจัดหาน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง โดยเพียงแค่วางยูเรเนียมที่ไม่ได้เสริมสมรรถนะและราคาถูกลงไปในแกนเช่นนั้น, U-238 ที่ไม่สามารถฟิชชั้นได้ก็จะกลายเป็น Pu-239, เป็นการ"ออกลูก"(อังกฤษ: breeding) เชื้อเพลิง

ในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม ทอเรียม-232 ดูดซับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ทั้งแบบเร็วหรือแบบความร้อน ทอเรียม-233 จะสูญสลายแบบบีตาไปเป็นโพรโทแอกทิเนียม-233 แล้วก็เป็นยูเรเนียม-233 ซึ่งจะถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิง ดังนั้น เหมือนยูเรเนียม 238 ทอเรียม-232 จึงเป็นวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ (อังกฤษ: fertile material) ตัวหนึ่ง

การจ่ายเชื้อเพลิงให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ปริมาณของพลังงานในอ่างเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกแสดงบ่อยครั้งในแง่ของ "วันเต็มกำลัง" (อังกฤษ: full-power days) ซึ่งเป็นจำนวนของระยะเวลา 24 ชั่วโมง (วัน) ที่เครื่องปฏิกรณ์ตัวหนึ่งได้ถูกกำหนดตารางเวลาไว้สำหรับการดำเนินงาน ที่จะสามารถส่งออกพลังงานได้เต็มกำลังในการสร้างพลังงานความร้อน จำนวนวันเต็มกำลังในรอบการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ (ระหว่างเวลาเติมน้ำมันครั้งหนึ่งจนถึงเติมน้ำมันครั้งต่อไป) จะเกี่ยวข้องกับปริมาณของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่ฟิชชั่นได้ที่เก็บอยู่ในแท่งเชื้อเพลิงที่จุดเริ่มต้นของวงจร เปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้นของ U-235 ในแกนที่จุดเริ่มต้นของวงจรจะยอมให้เครื่องปฏิกรณ์ทำงานได้นานวันเต็มกำลังมากขึ้น

ในตอนท้ายของรอบการดำเนินงาน, เชื้อเพลิงในบางส่วนของแท่งจะถูก "ใช้" และถูกระบายออกไปและถูกแทนที่ด้วยแท่งเชื้อเพลิงใหม่(สด), แม้ว่าในทางปฏิบัติมันเป็นสาร buildup ของพิษจากปฏิกิริยา (อังกฤษ: reaction poison) ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่กำหนดอายุการใช้งานของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ นานก่อนที่การฟิชชั่นที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะเกิดขึ้นได้, ตัว buildup ของนิวตรอนอายุยาวที่ดูดซับผลพลอยได้จากฟิชชันจะขัดขวางปฏิกิริยาลูกโซ่ ส่วนย่อยของแกนเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ที่ถูกเปลี่ยนในระหว่างการเติมเชื้อเพลิง โดยปกติจะเป็นหนึ่งในสี่สำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด และเป็นหนึ่งในสามสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ การจำหน่ายทิ้งและการจัดเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วนี้ เป็นหนึ่งในด้านที่ท้าทายที่สุดของการดำเนินงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ กากนิวเคลียร์นี้เป็นกัมมันตรังสีที่สูงและความเป็นพิษของมันจะเป็นอันตรายนับพัน ๆ ปี.

ไม่ใช่ทุกเครื่องปฏิกรณ์จะต้องปิดตัวลงเพื่อเติมเชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์ถังกรวด, เครื่องปฏิกรณ์ RBMK, เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย, Magnox, AGR และ CANDU ยอมให้เชื้อเพลิงได้รับการเลื่อนผ่านเครื่องปฏิกรณ์ในขณะที่มันกำลังทำงานอยู่ ในเครื่องปฏิกรณ์ CANDU กระบวนการนี้ยังยอมให้องค์ประกอบของน้ำมันเชื้อเพลิงแต่ละส่วนที่จะติดตั้งอยู่ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่เหมาะที่สุดกับปริมาณของ U-235 ในองค์ประกอบของเชื้อเพลิง

ปริมาณของพลังงานที่สกัดจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะเรียกว่า burnup ซึ่งจะแสดงในแง่ของพลังงานความร้อนที่ผลิตต่อหน่วยน้ำหนักเริ่มต้นของน้ำหนักเชื้อเพลิง Burnup ทั่วไปจะถูกแสดงเป็นความร้อนเมกะวัตต์วันต่อเมตริกตันของโลหะหนักเริ่มต้น

ความปลอดภัย

ดูบทความหลักที่: ความปลอดภัยนิวเคลียร์

ความปลอดภัยนิวเคลียร์ครอบคลุมการดำเนินการเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสี หรือเพื่อจำกัดผลกระทบของพวกมัน อุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ได้มีการปรับปรุงความปลอดภัยและประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์, และได้นำเสนอการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ใหม่ที่ปลอดภัย (แต่โดยทั่วไปยังไม่ทดลอง) แต่ไม่มีการรับประกันว่าเครื่องปฏิกรณ์จะได้รับการออกแบบ, สร้างและดำเนินการอย่างถูกต้องหรือไม่ ข้อผิดพลาดก็เกิดขึ้นจริง และนักออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ฟูกูชิม่าในประเทศญี่ปุ่นไม่ได้คาดว่า คลื่นสึนามิที่เกิดจากแผ่นดินไหวจะปิดการใช้งานระบบสำรอง ที่ควรจะรักษาเสถียรภาพให้กับเครื่องปฏิกรณ์หลังเกิดแผ่นดินไหว ตามที่ UBSAG, การเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ของเครื่องฟูกูชิม่า I ได้สร้างความสงสัยว่า แม้แต่ประเทศเศรษฐกิจก้าวหน้าอย่างญี่ปุ่นจะสามารถควบคุมความปลอดภัยนิวเคลียร์ได้หรือไม่ สถานการณ์ภัยพิบัติที่เกี่ยวข้องกับการโจมตีของผู้ก่อการร้ายนี้ก็ยังเป็นไปได้ ทีมสหวิทยาการจากเอ็มไอทีได้คาดการณ์ว่าถ้าการเจริญเติบโตของพลังงานนิวเคลียร์ในช่วงปี 2005-2055 เป็นไปตามแผน, การเกิดอุบัติเหตุนิวเคลียร์ร้ายแรงคาดว่าจะเกิดขึ้นอย่างน้อย 4 ครั้งในช่วงเวลานั้น

อุบัติเหตุ

ดูเพิ่มเติม: รายการของเหตุการณ์ภัยพิบัติทางนิวเคลียร์และกัมมันตรังสี

 

เครื่องปฏิกรณ์สามเครื่องที่ฟูกูชิม่า I ร้อนมากเกินไป, ก่อให้เกิดการหลอมละลายที่ในที่สุดก็นำไปสู่การระเบิดที่ปล่อยวัสดุกัมมันตรังสีออกมาในอากาศจำนวนมาก

อุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสีที่บางครั้งร้ายแรงได้เกิดขึ้น อุบัติเหตุโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่เรียงตามยอดผู้เสียชีวิตรวมถึงภัยพิบัติเชอร์โนบิล (1986), ภัยพิบัตินิวเคลียร์ Fukushima Daiichi (2011), อุบัติเหตุเกาะทรีไมล์ (1979) และอุบัติเหตุ SL-1 (1961) อุบัติเหตุเรือดำน้ำขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์รวมถึงอุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-19 (1961), อุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-27 (1968), และการเกิดอุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ K-431 (1985)

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถุกยิงเข้าสู่วงโคจรของโลกไม่น้อยกว่า 34 ครั้ง เกิดอุบัติเหตุหลายครั้งเกี่ยวข้องกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไร้คนขับ RORSAT ในโครงการดาวเทียมเรดาร์ของโซเวียต ที่ส่งผลให้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วกลับเข้ามาในชั้นบรรยากาศของโลกจากวงโคจร

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ

ดูบทความหลักที่: เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นธรรมชาติ

แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นมักจะถุกคิดว่า เป็นผลิตภัณฑ์ของเทคโนโลยีที่ทันสมัยแต่เพียงอย่างเดียว เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นเครื่องแรกในความเป็นจริงมันเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชั่นธรรมชาติสามารถเกิดขึ้นได้ในบางกรณีที่เลียนแบบเงื่อนไขในเครื่องปฏิกรณ์ที่มนุษย์สร้าง สิบห้าเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติถูกค้นพบนับจนถึงวันนี้ในสามแหล่งสะสมแร่ที่อยู่ห่างกันที่เหมือง Oklo ในกาบอง, แอฟริกาตะวันตก ค้นพบครั้งแรกในปี 1972 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ฟรานซิส เพอร์ริน, พวกมันจะถูกเรียกรวมกันว่าเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติฟอสซิล Oklo ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นยั่งยืนด้วยตนเองได้เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ประมาณ 1.5 พันล้านปีที่ผ่านมา, และทำงานไปได้ไม่กี่แสนปี, เฉลี่ย 100 กิโลวัตต์ของกำลังไฟฟ้าในช่วงเวลานั้น แนวคิดของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติถูกสร้างเป็นทฤษฎีในช่วงต้นของปี 1956 โดยพอล คูโรดะที่มหาวิทยาลัยอาร์คันซอ

เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวไม่สามารถสร้างได้บนโลกอีกต่อไปแล้ว การสลายตัวของกัมมันตรังสีในช่วงเวลาอันยิ่งใหญ่นี้ได้ลดสัดส่วนของ U-235 ในยูเรเนียมธรรมชาติให้อยู่ต่ำกว่าปริมาณที่จำเป็นในการรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้ยั่งยืน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติเกิดขึ้นเมื่อแหล่งสะสมแร่ที่อุดมด้วยยูเรเนียมถูกน้ำท่วม เนื่องจากน้ำบาดาลที่ทำหน้าที่เป็นตัวหน่วงนิวตรอน, และปฏิกิริยาลูกโซ่ที่แข็งแกร่งเกิดขึ้น น้ำที่เป็นตัวหน่วงจะเดือดเมื่อปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น, ทำให้เกิดการชะลอตัวหดตัวกลับลงอีกครั้งและป้องกันการหลอมสลาย ปฏิกิริยาฟิชชันได้รับการรักษาให้ยั่งยืนมาหลายแสนปี

เครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติเหล่านี้มีการศึกษาอย่างกว้างขวาง โดยนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจในการกำจัดกากกัมมันตรังสี พวกเขานำเสนอกรณีศึกษาของการที่ไอโซโทปกัมมันตรังสีสามารถอพยพผ่านเปลือกโลกได้อย่างไร เรื่องนี้เป็นพื้นที่ที่มีนัยสำคัญของความขัดแย้ง ในขณะที่ฝ่ายตรงข้ามของการกำจัดของเสียทางธรณีวิทยากลัวว่า ไอโซโทปจากขยะที่เก็บไว้จะสิ้นสุดในแหล่งน้ำหรือกระจายออกไปในสภาพแวดล้อม

ดูเพิ่ม

• en:List of nuclear reactors
• en:List of United States Naval reactors
• en:List of small nuclear reactor designs
• en:Nuclear marine propulsion
• en:Neutron transport
• en:Nuclear power by country
• en:One Less Nuclear Power Plant
• en:Radioisotope thermoelectric generator
• en:Safety engineering
• en:Sayonara Nuclear Power Plants
• en:Small modular reactor
• en:Thorium-based nuclear power
• en:World Nuclear Industry Status Report
• เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบถังกรวด

อ้างอิง

1. Jay Newman (2008). Physics of the Life Sciences. Springer. p. 652. ISBN 978-0-387-77258-5.
2. วัสดุฟิสไซล์เป็นวัสดุสามารถให้ความยั่งยืนกับปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชั่น ซึ่งประกอบด้วยธาตุที่นิวเคลียสแบ่งแยกได้โดยนิวตรอนทุกพลังงาน โดยเฉพาะกับเทอร์มัลนิวตรอน วัสดุฟิสไซล์ที่สำคัญ เช่น พลูโทเนียม-239 ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-233 วัสดุฟิสไซล์นี้บางครั้งเรียกว่า วัสดุเกิดฟิชชันได้ [นิวเคลียร์]
3. สารพอยซัน(ปฏิกิริยานิวเคลียร์), วัสดุใดๆ ที่มีภาคตัดขวางการดูดกลืนนิวตรอนสูง ซึ่งจะดูดกลืนนิวตรอนบางส่วนจากปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชั่นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เป็นผลให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ลดลง [นิวเคลียร์], อังกฤษ-ไทย: คลังศัพท์ไทย โดย สวทช.
4. "DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory" (PDF). US Department of Energy. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม (PDF) เมื่อ 23 April 2008. สืบค้นเมื่อ 24 September 2008.
5. "Reactor Protection & Engineered Safety Feature Systems". The Nuclear Tourist. สืบค้นเมื่อ 25 September 2008.
6. "Bioenergy Conversion Factors". Bioenergy.ornl.gov. สืบค้นเมื่อ 18 March 2011.
7. Jeremy Bernstein (2008). Nuclear Weapons: What You Need to Know. Cambridge University Press. p. 312. ISBN 978-0-521-88408-2. สืบค้นเมื่อ 17 March 2011.
8. Yatish T. Shah (12 January 2018). "5". Thermal Energy: Sources, Recovery, and Applications. Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1-3153-0595-0.
9. "How nuclear power works". HowStuffWorks.com. สืบค้นเมื่อ 25 September 2008.
10. "Reactor Protection & Engineered Safety Feature Systems". The Nuclear Tourist. สืบค้นเมื่อ 25 September 2008.
11. "Chernobyl: what happened and why? by CM Meyer, technical journalist. pdf" (PDF).
12. Tsetkov, Pavel; Usman, Shoaib (2011). Krivit, Steven (บ.ก.). Nuclear Energy Encyclopedia: Science, Technology, and Applications. Hoboken, NJ: Wiley. pp. 48, 85. ISBN 978-0-470-89439-2.
13. L. Szilárd, "Improvements in or relating to the transmutation of chemical elements," British patent number: GB630726 (filed: 28 June 1934; published: 30 March 1936).
14. The First Reactor, U.S. Atomic Energy Commission, Division of Technical Information
15. U.S. Patent 2,708,656 "Neutronic Reactor " issued 17 May 1955
16. Argonne’s Nuclear Science and Technology Legacy: Chicago Pile reactors create enduring research legacy
17. Experimental Breeder Reactor 1 factsheet, Idaho National Laboratory
18. "Fifty years ago in December: Atomic reactor EBR-I produced first electricity" (PDF). American Nuclear Society Nuclear news. November 2001.
19. Kragh, Helge (1999). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton NJ: Princeton University Press. p. 286. ISBN 0-691-09552-3.
20. "On This Day: 17 October ". BBC News. 17 October 1956. สืบค้นเมื่อ 9 November 2006.
21. Leskovitz, Frank J. "Science Leads the Way". Camp Century, Greenland.
22. http://thaiglossary.org/search/containment
23. Golubev, V. I.; และคณะ (January 1993). "Fast-reactor actinide transmutation". Atomic Energy. New York: Springer. 74 (1): 83–84. doi:10.1007/BF00750983. ISSN 1063-4258.
24. Light water reactor.
25. "U.S. Nuclear Power Plants. General Statistical Information". Nuclear Energy Institute. สืบค้นเมื่อ 3 October 2009.
26. Lipper, Ilan; Stone, Jon. "Nuclear Energy and Society". University of Michigan. สืบค้นเมื่อ 3 October 2009.
27. "Generation IV". Euronuclear.org. สืบค้นเมื่อ 18 March 2011.
28. Nucleonics Week, Vol. 44, No. 39; Pg. 7, 25 September 2003 Quote: "Étienne Pochon, CEA director of nuclear industry support, outlined EPR's improved performance and enhanced safety features compared to the advanced Generation II designs on which it was based."
29. A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems PDF (4.33 MB); see "Fuel Cycles and Sustainability"
30. Mike Sohan Singh; Lawrence Ruby (1973). "Production and Release of Positron Emitters from Water-Moderated Power Reactors". Nuclear Technology. Taylor & Francis. 17 (2): 104–109. doi:10.13182/NT73-A31237.
31. "New Mexico Geochronology Research Laboratory: K/Ar and ⁴⁰Ar/³⁹Ar Methods". New Mexico Bureau of Geology and Mineral Resources.
32. "World Nuclear Association Information Brief -Research Reactors".
33. "Advanced Nuclear Power Reactors". World Nuclear Association. สืบค้นเมื่อ 29 January 2010.
34. Dr. Charles Till. "Nuclear Reaction: Why Do Americans Fear Nuclear Power?". Public Broadcasting Service (PBS). สืบค้นเมื่อ 9 November 2006.
35. "Generation IV Nuclear Reactors". World Nuclear Association. สืบค้นเมื่อ 29 January 2010.
36. "International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology, DIRECT CONVERSION OF NUCLEAR ENERGY TO ELECTRICITY, Mark A. Prelas" (PDF).
37. "Improving Security at World's Nuclear Research Reactors: Technical and Other Issues Focus of June Symposium in Norway". IAEA. 7 June 2006.
38. Jacobson, Mark Z.; Delucchi, Mark A. (2010). "Providing all Global Energy with Wind, Water, and Solar Power, Part I: Technologies, Energy Resources, Quantities and Areas of Infrastructure, and Materials" (PDF). Energy Policy. p. 6.
39. Hugh Gusterson (16 March 2011). "The lessons of Fukushima". Bulletin of the Atomic Scientists.
40. James Paton (4 April 2011). "Fukushima Crisis Worse for Atomic Power Than Chernobyl, UBS Says". Bloomberg Businessweek.
41. Massachusetts Institute of Technology (2003). "The Future of Nuclear Power" (PDF). p. 48.
42. Martin Fackler (1 June 2011). "Report Finds Japan Underestimated Tsunami Danger". New York Times.
43. The Worst Nuclear Disasters
44. Strengthening the Safety of Radiation Sources p. 14.
45. Johnston, Robert (23 September 2007). "Deadliest radiation accidents and other events causing radiation casualties". Database of Radiological Incidents and Related Events.
46. Leonard David (2004-03-29). "Soviet-era satellites leaked lethal debris". NBCNEWS.com. สืบค้นเมื่อ 2020-01-14.
47. Video of physics lecture – at Google Video; a natural nuclear reactor is mentioned at 42:40 mins into the video
48. Meshik, Alex P. "The Workings of an Ancient Nuclear Reactor." Scientific American. November 2005. Pg. 82.
49. . Office of Civilian Radioactive Waste Management. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 16 March 2006. สืบค้นเมื่อ 28 June 2006.
50. "Oklo's Natural Fission Reactors". American Nuclear Society. สืบค้นเมื่อ 28 June 2006.

แหล่งข้อมูลอื่น

• The Database on Nuclear Power Reactors – IAEA
• เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
• เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ 4 ยุค